Статика восприятия громкости

По отношению к громкости есть два параметра:

1. Уровень громкости - это уровень тона частотой 1 кГц, субъективно равного по громкости оцениваемому сигналу. Единица измерения - фон. Недостаток этой единицы - опора на синусоидальный сигнал - сигнал, который в естественных условиях не встречается и воспринимается с заметными погрешностями. Уровень громкости - это не громкость, это уровень сигнала с нивелированием частотной зависимости чувствительности слуха. Изменение уровня громкости, например с 40 до 80 фон не означает, что субъективная громкость изменяется вдвое.

2. Собственно субъективная громкость измеряется в сонах. 1 сон - громкость тона 1 кГц при уровне 40 дБ. Двукратное увеличение субъективного ощущения громкости происходит при увеличении уровня сигнала до 50 дБ.

G (сон)=2^{(L (фон)-40)/10} 40< L <120.

Графически зависимость субъективной громкости от уровня громкости представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Связь между уровнем громкости и громкостью

Для f =1000 Гц, когда уровень громкости в фонах численно равен уровню в дБ:

Эта зависимость носит название закона Стивенса (степенная зависимость громкости от характеристик поля): громкость в средней части звукового диапазона частот пропорциональна линейным характеристикам звукового сигнала в степени 0,6 или энергетическим характеристикам в степени 0,3.

Динамика восприятия громкости

Динамику восприятия громкости можно разделить на 2 составляющих:

1) по времени;

2) по амплитуде.

Динамика восприятия громкости по амплитуде

Основное понятие в этом отношении - дифференциальный порог по уровню громкости. Зависит от того, предъявляется ли сигнал для сравнения. Для L >40 дБ составляет 0,5...1 дБ (что и объясняет распространение дБ в качестве единицы уровня).

Динамика восприятия громкости по времени

Интервал времени, в течение которого вычисляется большая часть характеристик сигнала, составляет от 80 до 140 мс (в зависимости от экземпляра субъекта) и называется временным окном слухового анализатора. Средняя величина составляет около 100 мс.

После восприятия атаки сигнала чувствительность слуха притупляется на 30...40 мс. Этот феномен называется законом первой волны и служит для подавления реверберации. Полезно отметить, что снижается чувствительность обоих ушей, даже если сигнал подается на одно. Сигнал, приходящий после 30...40 мс, уже воспринимается как эхо.

Восприятие высоты

Статика

Числовое значение частоты в Гц, как и расположение высоты в музыкальном звукоряду, отражают не субъективное ощущение высоты, а параметры стимула, который это ощущение вызывает. Субъективное ощущение высоты тона H измеряется в мелах (здесь можно усмотреть аналогию с уровнем громкости в фонах и громкостью в сонах). Зависимость субъективного ощущения высоты от частоты сигнала представлена на риc. 6.2. Видно, что на высоких частотах ощущаемая высота растет медленнее, чем частота сигнала. Это объясняется насыщением импульсной активности нейронов и сменой алгоритма определения высоты. Для того чтобы определиться с единицей изменения высоты, устанавливают численное соответствие между высотой и частотой в некоторой точке. В качестве такой точки выбирается либо "до" малой октавы (131 Гц), либо 1000 Гц. Первый вариант более удобен, поскольку обеспечивает численное соответствие высоты и частоты в наиболее употребительном диапазоне.

Рис. 6.2. Зависимость субъективного ощущения высоты от частоты сигнала

Динамика

Высота тона в диапазоне 100-1000 Гц определяется приблизительно за 5 периодов сигнала вне зависимости от его частоты и за 5 мс при более высоких частотах.

Алгоритм определения высоты, как и многие другие алгоритмы обработки информации в нервной системе, плохо работает на стационарном сигнале. В слуховой коре больших полушарий мозга имеются группы клеток, которые никак не реагируют на чистые тоны, зато реагируют на изменение параметров сигнала, причем одни нейроны реагируют только на повышение частоты, другие - только на понижение, третьи на любое изменение. Эти частотные детекторы реагируют на частотную модуляцию с частотой до 7...12 Гц и наибольшую чувствительность имеют, когда во временное окно слухового анализатора укладывается половина периода частоты модуляции, что соответствует частоте модуляции 3,5-6 Гц. Этим свойством слухового аппарата объясняется большое эстетическое значение вибрато. А для электроакустики это означает недопустимость эффекта Доплера (возникает, когда излучение некоторого тона сопровождается перемещением подвижной системы излучателя другими компонентами сигнала), детонации (знакопеременные отличия скорости воспроизведения сигнала от скорости записи) и джиттера (знакопеременное несоответствие момента выдачи очередного отсчета в цифровых системах номинальному значению).

Кривые равной громкости

Кривые равной громкости (рис. 6.3) отображают зависимость уровня громкости от частоты. Измеряются они установкой такого уровня сигнала заданной частоты, чтобы он был равногромким сигналу частотой 1 кГц. Это своего рода АЧХ слуха, причем изменяющаяся с уровнем громкости.

Рис. 6.3. Стандартные кривые равной громкости: 1 - порог слышимости; 2 - порог болевого ощущения

Воспринимаемый диапазон частот составляет в лучшем случае 16 Гц - 20 кГц. Данный диапазон частот называется звуковым. Более низкие частоты называются инфразвуковыми и слухом не воспринимаются, но могут ощущаться в виде кинестетических ощущений. Наиболее значимы при таком восприятии частоты, совпадающие с резонансными частотами различных органов тела: желудка, мембраны, легких и т.д. Они составляют единицы Гц. Кроме того, излучение чистого инфранизкого тона без заметных на слух гармоник (которые уже попадают в звуковой диапазон) чрезвычайно сложная задача, поэтому наличие инфранизких частот может фиксироваться косвенно по наличию заметных гармоник.

Нужно отметить, что никакая частота или узкий диапазон частот не воспринимаются отдельно хотя бы потому, что для широкополосного сигнала энергия, переносимая на отдельной частоте, очень мала. Кроме того, чувствительность слуха по отношению к одним компонентам сигнала может меняться под воздействием других, поэтому непосредственная неслышимость некоторого диапазона частот не повод утверждать, что этот диапазон частот не вносит вклада в общее ощущение от звука.

Неравномерность чувствительности слуха вызвана следующими обстоятельствами:

1) плавный спад в области НЧ: волосковые клетки, как и многие другие, реагируют не на наличие, а на изменение стимула;

2) выброс чувствительности в окрестности 3-4 кГц: резонанс слухового прохода;

3) спад в области ВЧ, достаточно быстрый, в ультразвуковой области ~60 дБ/окт, связан с фильтрующими свойствами среднего уха и с тем, что экстремум колебаний кортиева органа оказывается вблизи точки крепления основной мембраны. С возрастом верхняя граница диапазона слышимых частот снижается.